機器人輔助手術在脊柱外科應用進展

王向陽，劉永輝，石洋，崔宏勛(通信作者*)

(1.河南中醫藥大學，河南 鄭州 450000；2.河南省洛陽正骨醫院，河南省骨科醫院，河南 鄭州 450000)

1 脊柱外科機器人概述

手術機器人這一概念最早由Fisher 和Rosen博士于20年代中后期提出，但受當時技術限制，其發展研究并未大規模開展。21世紀后，隨著科學的不斷發展，以及對手術精準化、微創化的要求提高，各類手術機器人紛紛出現，尤其在泌尿外科、心胸外科以及神經外科發展迅猛，僅達芬奇手術機器人輔助的腹腔鏡和胸腔鏡手術在2015年就已開展逾70萬例[1]。脊柱外科的機器人技術在過去十年中發展也相對較快，2004年Mazor 公司開發的SpineAssis是首款經美國食品藥品監督管理局批準可用于脊柱手術的機器人[2]。目前臨床用于脊柱手術的機器人主要有Mazor公司SpineAssist/Renaissance機器人、Zimmer Biome公司的ROSA機器人、Globus Medical公司的ExcelsiusGPS機器人、天智航公司的天璣機器人，盡管細節方面可能有差異，但主要部件結構及工作原理較為類似。機器人系統主要由機械臂系統、光學跟蹤系統、手術規劃系統及導航系統構成[3]，其主要工作原理可分為三步，第一步通過C臂或O臂收集患者信息，完成定位、圖像重建，第二步為路徑規劃，術者在重建的圖像上依據手術要求規劃完成路徑的設置，最后一步即執行規劃，機械臂根據光學示蹤器定位至指定位置，最后再由術者進行操作，在這一過程中多數機器人能實現術中實時成像，自動補償患者體位移動造成的誤差[4]。

2 機器人輔助置釘

在脊柱手術中，安全合適的放置椎弓根螺釘是內固定最為關鍵的步驟之一，而錯誤的螺釘位置或置釘操作可能會導致嚴重并發癥。目前，臨床手術中螺釘的置入仍以徒手為主，這對術者經驗要求較高，且主觀性較強，術中可能出現多次透視、反復調整釘道等問題，數據統計顯示，徒手放置胸腰椎椎弓根螺釘的錯位幾率接近10%[5]。目前多數研究報道均認為機器人系統在螺釘置入精度方面要優于徒手置入。機器人系統可根據術中實時掃描重建，有效了解患者椎弓根形態結構、神經脊髓受壓情況，進而選取合適的螺釘規格、進針角度、方向、深度等。Granit等[6]的薈萃分析納入了169例患者880枚椎弓根螺釘比較機器人輔助與徒手置釘的準確性，采用Gertzbein Robbins分級對螺釘精度進行評估，機器人組達到A級或B級為93.4%，顯著高于徒手組88.9%。Li等[7]的薈萃分析納入9項研究696例手術，結果表明，與徒手技術相比，機器人輔助技術在椎弓根螺釘置入中的準確性更高，且TINAVI機器人精度要優于Renaissance機器人。Keric等[8]回顧研究了413例患者2067枚由機器人輔助置入的螺釘，96.9%的螺釘具有良好的位置，僅有20顆螺釘的偏差大于6毫米。除常規置釘外，在面對脊柱畸形患者時，機器人輔助置釘展現出了巨大優勢，陳豪杰等[9]報道在青少年特發性脊柱側彎矯形手術中應用機器人輔助置釘，機器人手術組的術中出血量、置釘時間及螺釘位置調整次數均顯著低于傳統手法置釘，且術后影像學復查顯示機器人手術組的置釘準確率要明顯高于徒手組(89.5%VS79.1%)。宋玉鑫等[10]報道在脊柱畸形矯形中應用機器人輔助置釘，其A級別螺釘數量顯著高于應用3D打印導板置釘。

機器人輔助置釘盡管有著較高的精確度，但在置釘過程中較易受到患者呼吸運動及患者不自主身體移動影響，此外當切口較小或螺釘外展角度較大時，皮膚肌肉等組織對導針的阻擋牽拉亦會影響螺釘精度，因此術者操作時應當注意細節，減少偏移[11]。此外有研究發現機器人輔助置釘，螺釘距小關節更遠，對于小關節侵犯更小，有利于減少術后鄰近關節的退變[12-13]。在術中出血方面，Fan等[14]對127名頸椎手術患者研究發現，機器人輔助置釘組患者的手術失血量顯著少于常規徒手置釘組，且術后住院時間也明顯縮短。機器人術中、術后并發癥也是值得關注的問題。徒手置釘過程中常需要剝離較多肌肉組織、多次調整釘道來完成置釘，這一過程無疑增加了組織損傷及出血量，而機器人輔助置釘無需觀察解剖標志，僅需依靠機械臂經皮體表定位即可完成置釘，因此可以減少組織剝離[15]。

3 手術時間及輻射暴露

現有研究對于機器人是否能夠減少手術時間尚存爭議。Fu等[16]的薈萃分析認為，機器人輔助組的整體手術時間與傳統徒手組并無顯著差異。Peng等[17]研究發現，機器人輔助手術時間較常規手更長，這可能是因為機器人系統需要更多的儀器設備，且設備的位置常需要根據手術的需要進行多次移動。但也有學者研究認為機器人手術較傳統手術時間更短，俞陽等[18]報道在胸腰椎多椎體病理性骨折手術中應用機器人輔助骨水泥注射，較傳統手術顯著縮短了手術時間，馮碩等[19]研究機器人輔助手術在斜外側腰椎椎間融合治療效果發現，機器人顯著縮短了手術時間、減少了術中出血。通過以上研究可以發現，應用機器人輔助能夠縮短手術時間通常是由于以下幾個主要原因：1、減少透視次數；2、在較復雜的手術中降低螺釘位置調整次數；3、減少出血，便于手術進行。

在輻射暴露方面，機器人系統相較于傳統徒手置釘免去了多次透視調整螺釘位置、角度這一過程，通常僅需重建過程及置釘完成后的透視，而且患者圖像信息重建過程中醫護人員無需暴露，因此輻射時間及暴露量較徒手置釘可能更低。Hyun等[13]研究顯示，在傳統常規手術和機器人引導的手術中，放置一枚螺釘所需放射時間分別為13.3秒、3.5秒，Jamshidi等[20]的一項前瞻性、多中心的研究結果顯示，在短節段微創腰椎融合術中應用機器人輔助手術能夠減少50.8 % 的手術透視時間，此外多項研究表明，機器人輔助手術可以顯著降低術中放射時間和輻射劑量[21-22]。

4 機器人手術局限性

盡管機器人系統手術取得了可喜的成果，但回顧以往文獻可以發現，目前機器人系統仍存在著諸如應用范圍較局限，學習曲線較長，成本效益比等問題。在目前的大多脊柱外科手術中，機器人只是作為輔助置釘的向導，似乎缺乏其他方面的應用，且關于機器人輔助置釘的研究也已較多，因此未來機器人系統不能僅局限于完成置釘這一初步操作，還應當在其他不同手術、不同階段展現自己的作用，它們在脊柱外科手術中的應用應當繼續開發。脊柱機器人能夠為脊柱的任何解剖區域提供精確的引導，因此在機器人的輔助下，術者可以非常容易地接近和切除椎板、關節突等骨組織進而進行一系列的操作[23]。目前已有關于機器人輔助經皮椎體成形術、輔助減壓等方面的報道[24-25]，隨著研究的不斷加深，未來機器人在脊柱外科手術中也必能展現出更多技能。

機器人輔助手術學習曲線較長，尤其對于年齡較高的醫生來說，熟悉機器人軟件的規劃、操作并非易事。HU等[26]連續追蹤了150例應用機器人輔助置釘的手術發現，置釘準確度在30例手術后達到相對穩定的平臺期，機器人引導成功放置螺釘成功率由82%上升至91%～93%，機器人輔助失敗而轉換為手動放置的螺釘的比率為由17%下降到4%～8%。Schatlo等[27]回顧了13名不同醫生放置的1265枚機器人輔助椎弓根螺釘，發現在第20例手術后，螺釘放置錯誤的數量顯著下降。范明星等[28]研究發現，在在手術數量達到8臺、20臺、32臺時，手術時間逐漸縮短，螺釘精確性逐漸提高，后漸趨于穩定。基于上述的數據，作者建議對機器人技術不熟悉的外科醫生在前30臺機器人輔助手術應當接受監督指導。盡管脊柱手術機器人技術學習并非易事，但其他技術的不斷發展也給其帶來了新的助力，如新興的虛擬現實技術有望能夠降低初學者門檻。

機器人成本效益也是值得關注的問題。但目前對機器人成本效益的研究似乎并不多，中國作為人均醫療資源較為有限的國家，在推廣一項新技術前有必要對其成本效益進行研究，尤其是面對機器人這類結構復雜、造價昂貴且后期需要額外維護的醫療設備。目前有研究者報導，機器人輔助手術能夠提高置釘準確率、降低感染率，進而通過縮短住院時間減少患者費用[29]。但也有研究顯示，與接受常規脊柱手術的患者相比，機器人輔助手術患者的并發癥發生率相似[30]，并不能減少花費。因此臨床應用機器人時，醫生應當謹慎評估患者情況，權衡利弊，實現成本與效益的最優化。

5 小結

目前，機器人輔助手術在脊柱外科領域仍處于萌芽階段，盡管現有研究已展現出了不少積極的成果，如機器人輔助螺釘放置的準確率更高、手術操作更為微創、手術人員所受輻射暴露更少等，但也存在著諸如應用范圍窄、學習曲線較長、機器人智能化程度較低、缺乏人機交互等問題，迄今為止，手術機器人只能用于執行相對簡單的程序，幾乎沒有自主權和決策權，此外尚缺乏機器人應用的指南或標準，關于機器人不良事件及風險事件管理研究也較少，但隨著時間的發展，技術的不斷進步，這些相應的問題也必將得到解決，機器人在未來臨床應用中也將迎來更廣闊的空間。